第十四章 接替

“人的智慧无法解释的事件组合不会存在。现在我来简要介绍一种可能的思路。我介绍这种思路只是想把它当做一项智力训练，丝毫没有断言这种思路就是正确的意思。我承认，这纯粹是一种想象，但想象不是常常成为真相之母吗？”

至目前为止，我在本书所讲述的这个故事中如果还有点什么东西值得一提，那就是：我们的生化系统，连同这个系统的各种分子组成成分的起源问题应与真正的生命的起源问题区别开来。进化并不是从生命目前共有的有机分子开始。事实上，最早的有机物甚至最早进化的有机物中究竟有无有机分子，我对此表示怀疑。

正因为如此，我在讲述这个故事时过了很久才讲到有机分子。既然这样， 那么现在的问题就是：什么东西作为桥梁把进化的矿物质有机物和目前在地球上四处存在且其形态和这种有机物完全不同的生命联系在一起呢？本书第八章简要介绍了这种桥梁的总的特征。在最初的有机物与后来的生命之间存在接替：最初的有机物在进化过程中在其内部创造了一种环境，从而使“高技术”遗传系统得以出现；这种遗传系统在运作过程中日趋成熟，随之而来的就是对最初有机物的接替。此时，原生有机物为次生有机物取代。所谓次生有机物指的是一种完全无法自然产生的有机物。

现在，让我们为这幅桥梁的略图补充一些细节。我们只把这项工作作为一种智力训练，丝毫不去断言我们所补充的细节就是对的。我们可以从四个问题入手：

有机分于是如何获得的？为什么？

有机分子如何获胜？为什么能够获胜？

关于第一个问题，即有机分子是如何获得的这一问题，如果你还记得， 我想你一定知道本书在有关“套盒”一章中提供了这么一条线索：这条线索暗示我们的生化供应结构是从二氧化碳发展而来；而这一点则又提示最初的有机分子是矿物质有机物通过光合作用获得。

这个线索所提示的情况至少会是贯穿进化的一个不变因素。光合作用仍然是有机物吸收碳原子的最重要的方式。植物利用太阳光能从空气中的二氧化碳和水这两种最为容易获得的物质中合成较大的分子，这是植物具有的独特的能力。植物物质的大部分实际上就是由这种通过光合作用合成的较大的分子组成。

在原始地球上发生的反应过程不会像现代植物的光合作用那样高深复杂。植物的绿叶中有一些很小的机器，每台机器都带有薄膜，薄膜中包含有呈晶体状排列的叶绿素分子。这些叶绿素将一束束太阳光光线吸收下来，就像天线接收无线电电波一样。这一过程导致扰动的产生，扰动是在电荷分裂以及电荷朝薄膜两面作相反方向的运动时积累的。正电荷向一个方向运动并作用于水（从而合成氧气这种副产品）；负电荷，即电子，则朝另一个方向运动并协助从二氧化碳中合成糖分子。

这是一个相当复杂的过程，然而有些矿物质却可以在有限的程度上模仿这种植物的光合作用效应。在紫外线的照射下，某些结构简单的铁盐溶于水中之后可以使二氧化碳凝固并将它合成如甲酸之类的小有机分子。某些晶体矿物质也能以这种方式模仿光合作用效应。

另一种重要的反应过程是通过将空气中的氮分子分裂，而使氮原子发展成为生化物质。完成这一过程并非易事，因为氮分子也像二氧化碳分子一样， 其化学性质相当稳定。这种固氮过程需要大量的能，只有某些细菌才能完成。同样，固氮也是有机物中一种非常复杂的反应过程。这种复杂的反应过程同样也有一些矿物质可在有限程度上加以模仿。作为砂的一种次级成分， 含铁的二氧化钛也具有固氮的能力。当太阳光照射到这种物质的潮湿的晶体之上，这时就会有少量的氮转化为氨。氨是一种形态的氮，它相比之下比较容易发展成为如氨基酸之类的较大的分子。

即使是在主要由二氧化碳、氮和水蒸气组成的惰性程度相当高的大气层下，即在那种目前普遍认为存在于早期地球上的那种大气层下，人们也能想象到小有机分子在这种环境中合成的情形。这种合成当然决不可能在汪洋大海这样广阔的范围内进行，但在局部，例如说，当潮湿的矿物质暴露在大气层以及早期含有大量紫外线的太阳光线之下时，这种合成是完全可以想象得到的。这样合成的物质的量会很小，因为就我们所知，这种合成方法对于普通矿物质来说是一种低效方法，而且，正如本书第六章所讨论过的那样，紫外线对有机分子同时还具有破坏力。合成和拆散（以及混淆）会同时进行。然而，人们不能逃避与纯粹用地球化学反应合成如核苷酸等较大的有机

分子有关的更为普遍的问题。不过假设有矿物质有机物的存在，那么，这一问题就不再是重大的障碍。我们就不会再讨论机会能够实现程序的长串次序排列的问题。假定矿物晶体集合体存在，假定这种集合体的形态、结合方式以及有缺陷结构等均可由自然选择造成，那么我们现在所要探询的就是什么事情也许是可行的。就像本书第六章在行将结尾时所讨论过的一样，当自然选择开始运作，当过去的成功实际上已可被连续记忆下来时，那种靠碰机会的游戏方法就会得到根本的改变。这时，专门知识或技能可以积累增多。一些不可能的事情也许就会成为非常可行的事情。

那么，我们能否设想已经进化的矿物质有机物为合成难以合成的分子创造了条件呢？对于为什么已经进化的矿物质有机物也许可以担负这一工作这一问题，我们将在后文讨论，现在还是让我们继续讨论它是“如何”完成这一工作的。现在需要回答的问题是：粘土是不是担负这一工作的适合的物质？ 它是否就是你所需要的那种物质？

答案是肯定的。让我们来分析一下光合作用。光合作用依赖的首先是一个吸收光线的装置以及一个在很小的规模范围内使一些很小的物体彼此处于分离状态的装置。（由光束产生的电子和正电荷以及由这些活化剂合成的最初的分子这三者之间必须保持分离，不能让它们重新聚合而相互抵销掉。） 铁原子是粘土矿物中常见的组成成分，同时也是理想的吸收光线的材料，而那种非常薄但却坚韧的粘土层本身却似乎是一种理想的微量分离器。其余问题主要是组织结构方面的问题，例如使吸收光线的原子处于合适的位置、使粘土膜按正确的方式排列、使粒子的形状和大小恰如其分，等等。

通过适当的空间组织结构安排，冗长的有机合成过程中固有的程序排列问题原则上也可以得到解决。这一点如果暂时还不是很清楚，那是因为空间结构安排并不是我们人类用来排列制造程序的主要方法。我们靠的是识别。例如，假如我们要烤糕点，我们并不需要将所有成分按照我们使用这些成分的先后次序一样一样排列起来，也没有必要将调羹、搅拌器、烤箱等器具严格地按照我们使用它们的先后次序事先排列好。撇开其它一切不谈，如果我

们的厨房只按照烤糕点的要求布置，这显然不成其厨房。生产单一产品的自动化工厂则不同，工厂的布局在很大程度上体现了产品的工艺流程。这种工厂的生产活动如果仍然还有依赖识别的成分，这种依赖成分也已很少。

现代细菌在很多方面与其说像一个生产单一产品的自动化工厂倒不如说更像一个厨房。它的活动在很大程度上依赖酶识别其它分子的能力。这种识别能力当然不像我们人类具有的那种识别力那样高级发达，但仍然是一种高度发达的能力。早期的有机物不可能具有这种能力。因此，在自动化工厂与厨房之间，它们会更像工厂。那些已进化到能够制造诸如核苷酸这样的分子的有机物就其所含有的装置而言要比现代细菌复杂得多，这种装置的布局决定了这些有机物的制造程序。

当然，复杂与高级发达无疑不是一回事。现在我想请您设想某种像实验室中复杂的玻璃料器那样的东西，比方说，由简易烧杯、试管、泵等料器组成的复杂的集合体，它们之间相互联系在一起的方式说明了某种特定的实验程序。（希思·鲁宾逊曾持有这种观点，而北美人持这种观点的代表则是鲁布·戈德堡。）

假如你开始以这种方式分析有机物开始进入有机合成这一困难领域时所需的那种“料器”，那么，粘土矿物似乎是理想的材料。它们可以充当催化剂，但又不是过于活跃。即使在没有任何遗传控制的情况下仍有许多可以发挥试管和容器作用的粘土。它们会在各层的边缘将有机分子抓住，或者通常将有机分子夹在各层之间。

那么，在存在遗传控制的情况下，这种装置又是如何被组合在一起的呢？ 我们可以设想这种装置按照类似蛋白分子的折叠那样的建造方法组合在一起。也许那些带有特定电荷图案的柔性粘土层会起皱或者会以特定的方式合在一起，以说明某种特定的复杂的装置。或者，也许那些呈沟槽状的粘土表面会组合在一起，从而在它们之间形成一些错综复杂的但却带有非自然形成痕迹的裂隙。也许当我们在实验室内合成了各种晶体基因之后，我们将能够对前面提出的有关“如何”之类的问题做出更为具体的解答。

现在我们来讨论有关“为什么”这类问题。有机分子对于进化之中的矿物质有机物会有什么用处呢？

我们可以想象到，有机分子对于各个层次的矿物质有机物，即从那些也许可以用作胶、或紫外线屏障或原始屏障的简单的缺乏控制的混合物到用于更高级目的自锁聚合分子，均有它的用处。在制造粘土的过程中，有机分子可从许多方面提供帮助。

我们来分析一下甲酸的作用。甲酸是最简单且最易合成的有机分子之一。它可以稳定溶液的酸性，从而帮助控制粘土结晶过程。比甲酸稍许复杂一些的草酸也相当容易合成。大家知道，草酸能帮助粘土合成。同样，我们在第七章中讨论过的那些作为中央内核的次级成分的小分子中有几种也具有这种作用。这几种分子通过将铝离子溶解协助粘土合成。

氨基酸以及小串的氨基酸，还有其它一些分子，则善于控制溶液中的金属离子。也许这就是为什么氨基酸被带进一种生化系统，在这个系统中，溶液中金属离子的量与浓度非常重要。

在供应结构中，从氨基酸再往外的那一层是核苷酸。核苷酸的字母段是一种易于粘接在粘土层之间的分子，在具有易感性的核苷酸中出现的三价磷酸盐单位则特别适合与粘土层的边缘粘接。也许像核苷酸这种分子首先就是

为了与粘土相互作用而设计的，因此，它的第一个用途就是以特有的方式将粘土晶体系在一起。

当我们分析比前面所说的分子大得多的分子时，我们还可设想有机分子具有的其它用途。多糖由许多连在一起的糖单位合成。在现代有机物中，多糖具有各种各样的用途。符合标准的多糖可成为控制溶液浓度的能手，它可造出粘性适度的粘质物或胶质物，这种粘质物或胶质物在适当条件下可变软或变硬。多糖具有的这种专长对于进化的粘土有机物也许会有一定用处，特别是当粘土有机物的生长必须解决溶液不因受到光线照射而被烘干或者被水冲掉等诸如此类的问题时，多糖的用途就会明确地显示出来。

也许脱氧核糖核酸和核糖核酸的前身属于一种特异多糖。不论是与不是，你都可以这样理解：即脱氧核糖核酸和核糖核酸的前身在开始时并不具有遗传用途。发现这类分子可以复制信息是后来的事情，而且这种发现是一种偶然事件。

既然存在着一些对许多种有机分子都有用处的完全发挥作用的有机体，还存在着能把漫长的有机合成反应进行到底的日益演进的专门技术，那么偶然发现具有复制能力的有机分子的可能性是不是增加了呢？能增加多少呢？为什么核糖核酸类分子链首先在有机物中固定下来？我猜测其原因纯属

于结构方面，它取决于不同链段相互连锁在一起的能力。这是一种制造复杂物体的方法，即一种物体建造方法。这样一种技术一经确立，有关复制的可能性就会蓦然出现。

我们已在第八章中对这种情况做过讨论。在进化中，这种情况无时不在发生。例如，某种东西为了一个目的而进化，但结果却经常或通常发现这种进化后的东西具有其它用途（请回忆一下我们对猫的舌头的功能所做的讨论）。这种情况谈不上什么预谋，这只是一种机会主义。

一旦有机物中出现另一组能够容纳和传递信息的复制结构，进化则不但可以在旧的物质而且也可以在新的物质中通过可复制的变化产生。这里有一个条件，即核糖核酸类分子中的排列顺序信息应对这种分子的一个特性具有某种影响，而这个特性对整个粘土结构的有机物均具有某种用途。例如，这种复制顺序也许可决定分子自我折叠的方式，从而使分子成为有用的系统元件，或者相互连锁以形成一种处于良好状态的结构物质。

现在，我们可以确定，在进化中的有机物中至少会有某些氨基酸存在。我们必须假定，结构严谨的核糖核酸类分子终于以某种方式协助氨基酸组合成氨基酸链。这定然会是一个冗长渐进的过程（而且可以肯定，这个过程只有在已能充分运作、处于进化之中的有机物中才有可能发生）。只有当我们的中央控制系统，即遗传密码和这个系统的一切，全部完成之后，独自基于这一奇异系统的非寄生有机物才可望出现。

事实上，在独立生存的有机物出现之前还有一些工作有待完成。例如，制作粗陋的粘土装置须由进化而成的蛋白质酶以及所有新型的膜取代。最后，所有粘土装置终被取代。这时，该系统就开始固定下来，大约就像我们现在所看到的那种样子。任何东西均不是这种主要产自空气和阳光的超生命的竞争对手。这种超生命的一个种类成为目前地球上所有生命的共同祖先。有机分子为什么会取得如此辉煌的胜利？这一问题已在本书第九章中做

过讨论。有机分子比其它分子更适合用于“高技术”系统。这主要是因为有机分子的原子组合比较牢固。这些原子很难自行组合。要造出一种含碳原子

的、相互密合和有序的多原子结构比造出诸如硅—氧结构之类的东西要困难得多。然而，这种基于碳原子的结构一旦造出，它所具有的独特的复杂性就会无限期地保持下去。从水溶液中生成的晶体结构则大不一样，这种结构随时都有重新溶于水中的危险。那些很小的晶体，或晶状物体的小部件，则尤其容易分离或重新组合。这好比是同一个硬币的另一面：即易于自行组合的东西也容易自行分解。这种东西对于“低技术”系统也许还凑合，但它的作用毕竟有限。因此，对于重大工程来说，只有棍子和绳子显然是不够的。

综上所述，生物物质的优势最后与规模问题连在一起。有机系统可比其它系统小许多。有机分子可造出像插座一样巧妙的东西，这种东西能够识别、容纳和操纵其它分子。在有关分子控制的比赛中，手指最小的系统将获得胜利。

“对你来说，这看起来是一个简单案子；对我来说，这个案子却似乎非常复杂。”